Gray nació en 1787 en el Hospital de Greenwich. En 1810 se casó con Francis Edward Gray, quien falleció cuatro años después, y con quien tuvo dos hijas que la sobrevivieron. Ambas hijas, Emma Juliana Gray Smith y Sophia Elizabeth Gray Stokes, también fueron ilustradoras científicas. En 1826 se casó con el primo segundo de su difunto esposo, John Edward Gray. Asistió enormemente a su segundo marido en su labor científica, especialmente a través de sus dibujos. Entre 1842 y 1874 publicó de forma privada cinco volúmenes de grabados titulados Figures of Molluscan Animals for the use of Students, y además montó y organizó la mayor parte de la colección de conchas de Cuming en el Museo Británico.
También se dedicó al estudio de las algas. Joseph Dalton Hooker le confió la responsabilidad de trabajar con la colección de especímenes de algas de la destacada especialista Amelia Griffiths. Gray seleccionó los especímenes tipo apropiados de dicha colección, los cuales se conservaron en el herbario de Kew. En agradecimiento por ese trabajo, recibió duplicados de la colección de algas de Griffiths y los organizó en conjuntos para presentarlos a instituciones científicas y educativas de todo el país, con el fin de fomentar el estudio de esta disciplina. Uno de estos conjuntos se conserva en la Sociedad Linneana de Londres. Asimismo, trabajó en el Museo Británico encargándose de la curaduría de especímenes de algas. Su propia colección fue legada al Museo de la Universidad de Cambridge.
La ayuda que prestó en esta rama de los estudios de su esposo fue conmemorada por él en 1866, al nombrar el género de algas Grayemma en su honor. De igual manera, nombró dos especies de lagartijas en su honor: Calotes maria y Calotes emma. También nombró a la especie Scapha maria-emma, actualmente conocida como Cymbiola mariaemma, en su memoria. Además, él mandó acuñar un medallón de bronce en 1863 que llevaba los retratos de ambos, una de cuyas copias se encuentra en posesión de la Sociedad Linneana. Gray sobrevivió a su esposo por un año y falleció el 9
de diciembre de 1876.
